變幾何渦輪動葉柵流場的PIV實驗研究

馬 超， 臧述升， 黃名海

（上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

早在20世紀50年代，西方先進國家就開始了變幾何渦輪技術可行性的理論研究和實驗研究.目前對變幾何渦輪技術的研究與應用均采取變導葉轉角（VAN）技術方案.該變幾何渦輪技術的應用十分廣泛，已經在航空、船舶及汽車等行業得到了發展，因此對變幾何渦輪技術進行深入研究非常有必要.研究者對變幾何渦輪技術已進行了大量的研究，取得了豐碩的成果［1－6］，但以往的研究手段大多集中在使用仿真手段以及使用熱線風速儀、三孔/五孔探針等傳統的氣動測試手段，對于準確全面地把握葉柵流道中流動，特別是旋轉動葉葉柵流道中流動的完整細節有所欠缺.筆者利用二維粒子成像測速（PIV）技術［7］，以干冰顆粒作為示蹤粒子，對某變幾何渦輪級的動葉葉柵流道及其下游區域的流場在不同導葉安裝角工況下進行了可視化研究，通過測量結果總結不同區域流場速度及氣流角隨導葉安裝角改變的變化規律以及渦量場的變化規律.研究結果為進一步深入理解變幾何渦輪內部的復雜流動現象提供參考.

1 實驗裝置及研究方法

1.1 實驗裝置

實驗在上海交通大學葉輪機械實驗室變幾何渦輪氣動實驗臺上進行.實驗系統如圖1所示，主要由風源、穩壓箱、葉柵實驗段與測功器組成.風源的主要設備包括離心式壓氣機、電動機和變速箱.

圖1 實驗系統布置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

本實驗的葉柵實驗段包括一個渦輪級葉柵，其中導葉部分包括10片可調導葉葉片，其最大可調轉角在±10°范圍內，動葉部分包括全周完整的76片動葉，由測功器控制其轉速，其中導葉為直葉片，動葉為扭轉角23.6°的扭葉片，渦輪級具體尺寸如圖2所示.

圖2 變幾何渦輪尺寸圖Fig.2 Structural diagram of the variable geometry turbine

1.2 實驗方法

利用PIV技術對高速旋轉的動葉葉柵內部的復雜流場進行可視化研究和分析，采用丹麥Dantec公司生產的PIV系統，其中激光片光源系統以雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器為光源，工作頻率為15 Hz，每個脈沖能量為250 MJ，輸出激光波長為532 nm（綠光）.圖像拍攝系統采用分辨率為4 000×2 672像素的CCD相機.實驗采用干冰作為示蹤粒子，Love等［8］對使用干冰粒子作為PIV示蹤粒子的方法和其準確性進行過詳盡研究.葉柵實驗段出口是用有機玻璃做成的透明管道，方便激光射入葉柵流道.實驗時片光源處于動葉下游中間葉高位置，片光源沿動葉出口的逆方向射入，在動葉葉柵的上方開有可視化窗口，CCD相機垂直片光源平面進行拍攝（見圖3）.

圖3 PIV拍攝方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the PIV shooting method

在對動葉葉柵流場進行PIV拍攝時使用外觸發模式，需要在待測的動葉葉柵位置安裝光電觸發器.當待測葉柵到達所需測量位置前，光電觸發器給PIV同步控制器一個電信號，通過同步控制器控制激光器與CCD相機的協同工作，確保對待測的動葉葉柵流道所需測量區域進行測量.

在實驗過程中僅調整導葉轉角，考察導葉轉角對動葉葉柵流道及其下游區域流動的影響.實驗在來流壓氣機轉速及試驗渦輪轉速均不變的情況下進行，其中渦輪轉速為1 380 r/min，排氣經試驗段出口管道（0.4 m長的扇形通道）進入大氣.實驗工況參數見表1.

表1 實驗工況Tab.1 Testing conditions

2 實驗結果與分析

圖4給出了測功器測出的不同導葉轉角下葉輪輸出功率的對比.由圖4可知，葉輪輸出功率隨著導葉轉角的變化呈現單調變化特性，導葉轉角從6°轉到－6°過程中，葉輪輸出功率從3.09 k W增加到4.39 k W，輸出功率增加了近42%，且在該過程中近似呈線性增加.由表1可知，隨著導葉轉角的變化，實驗段進口總壓也同樣表現出單調變化的特性.

圖4 不同導葉轉角下輸出功率的比較Fig.4 Comparison of output power at different guide vane angles

為了充分掌握導葉轉角改變對渦輪動葉葉柵流動的影響，進一步分析導葉轉角改變對渦輪整體性能的影響，對不同轉角工況下的動葉葉柵流道及其下游區域進行PIV實驗.PIV測量獲得的實驗數據是葉柵流道中截面的瞬時速度矢量，由于流場是隨時間脈動的，而實際人們在分析流動性能時更關心的是大量瞬時流場的平均值.因此，在實驗中對待測葉柵進行了大量的拍攝，并對結果進行平均，從而得到該葉柵流道流動的平均流場信息.以下均以此平均流場進行分析.由表1和圖4可知，渦輪性能隨著導葉轉角的改變呈現單調變化特性，PIV拍攝結果也同樣如此，為了更清晰地反映導葉轉角變化對渦輪動葉葉柵流動的影響，選取導葉轉角在＋6°、0°和－6°3個工況下進行對比分析.

首先對以上3個工況下葉輪流道的速度場進行分析.圖5給出了不同工況下渦輪動葉葉柵流道及其下游區域的絕對速度分布.由圖5可見，葉輪出口附近及其下游區域的氣流速度隨著導葉轉角向小開度方向調整而逐漸增大，且在葉輪出口附近速度明顯增大，這是因為該位置處于喉口位置，氣流在該區域得到了明顯的膨脹加速.在動葉葉柵流道內部隨著導葉轉角偏向小開度，該區域氣流速度增大更加明顯，表明上游導葉轉角的改變對于動葉葉柵流道內部氣流的影響明顯大于葉柵尾部及其下游區域.在來流流量基本不變的情況下，導葉轉角偏向小開度調整，導葉出口及動葉進口氣流速度不斷增大，且動葉進口氣流沖角增大，導致氣流在動葉通道內的折轉角增大，最終使得圖4中葉輪輸出功率不斷增大.

圖5 不同導葉轉角下絕對速度分布圖Fig.5 Absolute velocity contour at different guide vane angles

圖6為不同導葉轉角工況下渦輪動葉流道出口截面上氣流速度的對比，該出口截面位置即圖7中line1位置，其橫坐標y/t為圖7中y方向的相對位置，其極值在圖7中標注，t的絕對值約為1.5倍柵距.葉柵中流體軸向速度（U）和圓周速度（V）的正方向也示于圖7.由圖6可知，隨著導葉轉角向小開度方向調整，動葉出口截面的軸向速度和圓周速度均明顯增大，與之相對應的出口截面絕對速度也明顯增大，其最大速度均出現在相對長度0.5附近（即流道出口中間位置），當導葉轉角從6°轉到－6°過程中，動葉出口截面最大速度從36 m/s增大到40 m/s，增加了11%.動葉葉柵出口截面的氣流角度也隨著導葉轉角的變小而單調變大，但變化程度相對較小.由此可知，導葉轉角對動葉出口附近氣流速度具有較明顯的影響，而對速度方向的影響相對較小.

圖8為不同導葉轉角工況下動葉中間弦長附近截面速度的對比，圖中的軸向速度、圓周速度和絕對速度數據對應于圖7中line2從下向上取點的數據（其他規定與圖6相同）.圖8中速度為0的曲線段對應于由于葉片遮擋激光無法到達的拍攝盲區.由于該盲區內的速度值均為0，因此該區域內所對應的氣流角度是沒有意義的，圖8中氣流角度的數據僅對應于圖7中line3所對應的數據.由圖8可見，隨著導葉轉角向小開度方向調整，葉輪流道內部氣流速度的大小和角度基本呈現單調變化的特性，其中最大速度均出現在葉輪流道中間部位（圖中相對長度0.2和0.8的位置），導葉轉角從＋6°轉到－6°的過程中，最大絕對速度從32 m/s增大到45 m/s，增加了約40.6%.

圖6 動葉出口截面速度的比較Fig.6 Comparison of outlet velocity at different guide vane angles

圖7 數據點位置示意圖Fig.7 Location of data points

圖8 中間弦長附近截面速度的比較Fig.8 Comparison of middle section velocity at different guide vane angles

下面對變幾何渦輪動葉葉柵流道及其下游區域渦量場進行分析.在不同導葉轉角工況下，葉柵流道內部及其下游區域渦量分布圖的規律近似，如圖9所示，但分布區域的大小有所不同.二維渦量的ωvor定義由下式給出［9］：

二維渦量遵循右手法則，正值代表氣流正旋，方向為垂直紙面向外，負值代表反旋，方向為垂直紙面向里.為了對葉柵流道的渦量分布現象進行闡述，首先以圖9中－6°轉角的云圖為例進行分析.由圖9可見，葉輪流道內的高渦量區域主要分布在動葉壁面附近且正漩渦和反漩渦成對出現，為敘述方便將葉輪流道靠近吸力面位置從葉片前緣到尾緣位置分成A、B和C 3個區域，將葉片壓力面從葉片前緣到尾緣位置分成D、E和F 3個區域，將葉片尾緣下游分為G和H 2個區域.由圖9可見，在葉片吸力面A區域內，氣流首先形成比較強的反漩渦，隨著流動的進行這種反漩渦逐漸減弱并形成一個比較明顯的低渦量區域（B區域）.氣流沿葉片吸力面附近繼續流動到達C區域時，氣流渦量逐漸增大并形成比較明顯的正渦量分布，這種正渦量氣流分布在葉片下游區域一直存在并構成葉片尾緣渦的一部分（G區域）向下游傳播.葉片壓力面附近的渦量分布則表現出與吸力面完全相反的規律，首先在D區域形成明顯的正漩渦，這種正漩渦占據了大約70%的吸力面位置，隨后氣流的渦量逐漸減弱并形成一個比較小的低渦量區域（E區域），之后在靠近葉片尾緣附近形成比較明顯的反漩渦（F區域），這種反漩渦一直向下游傳播（如H區域所示），并與G區域的正漩渦一起構成了動葉葉片的尾跡.所得結果與Soranna等［10］利用PIV技術得到的動葉尾跡渦量場分布極為相似.

如圖9所示，隨著導葉轉角向小開度方向調整，葉輪流道內部的正漩渦和反漩渦區域均有所增大，低漩渦區域相應減小，表明上游導葉轉角對葉輪流道內部的流動損失有明顯影響，導葉轉角變小，葉輪流道內部流動損失增加.觀察葉片尾跡同樣可以發現，導葉轉角變小后葉輪尾跡所對應的渦量分布更加明顯，尾跡損失有所增加.

圖9 不同導葉轉角下渦量分布圖Fig.9 Vorticity contour at different guide vane angles

3 結 論

（1）PIV技術可以有效獲得變幾何渦輪動葉葉柵及其下游區域的速度場和渦量場分布，實驗結果可以為研究變幾何渦輪內部的復雜流動提供參考.

（2）導葉轉角從＋6°向－6°旋轉過程中，渦輪動葉葉柵流道出口及其下游區域氣流絕對速度增大，出口截面最大速度增加約11%，但對該區域氣流角度的影響相對較小.

（3）導葉轉角從＋6°向－6°旋轉過程中，渦輪動葉葉柵流道內部氣流速度明顯增大，最大絕對速度增加約40.6%，對氣流角的影響也比較明顯.變幾何導葉的調整對動葉葉柵流道內部氣流的影響大于對葉柵出口及其下游區域的影響.

（4）隨著導葉轉角向小開度方向調整，動葉葉柵流道內部氣流角和速度均不斷增大，最終導致葉柵輸出功率不斷增大，但流道內部及尾緣下游區域氣流渦量增加，動葉流動損失會有所增大.

［1］張玫寶.基于CFD的葉輪機械復雜流動分析計算［D］.上海：上海交通大學，2011.

［2］BAETS J，BERNARD O，GAMP T，et al.Design and performance of ABB turbocharger TPS57 with variable turbine geometry［C］//6th International Conference on Turbocharging and Air Management Systems.London，England：Professional Engineering Publishing for the Institution Mechanical Engineers，1998：315－328.

［3］陳琛.變幾何平面葉柵實驗研究及數值模擬［D］.上海：上海交通大學，2010.

［4］鄭楓，臧述升，郁煒.單級軸流式變幾何渦輪的計算模型及結果分析［J］.燃氣輪機技術，2003，16（1）：39－42.ZHENG Feng，ZANG Shusheng，YU Wei.The calculation mode and result analysis of single stage vartiable geometry axial turbine［J］.Gas Turbine Technology，2003，16（1）：39－42.

［5］ABDELFATTAH S A，SCHOBEIRI M T.Experimental and numerical investigations of aerodynamic behavior of a three－stage HP－turbine at different operating conditions［C］//ASME Turbo Expo 2010：Power for Land，Sea，and Air.UK：ASME，2010：1619－1632.

［6］崔凝，王兵樹，馬永光，等.變幾何多級軸流壓氣機動態仿真模型的研究與應用［J］.動力工程，2007，27（6）：856－862.CUI Ning，WANG Bingshu，MA Yongguang，et al.Study and application of dynamic simulation models for multistage axial－flow compressors with variable geometry［J］.Journal of Power Engineering，2007，27（6）：856－862.

［7］劉寶杰，嚴明，劉胤，等.葉輪機械復雜流動的PIV應用研究［J］.工程熱物理學報，2001，22（5）：578－580.LIU Baojie，YAN Ming，LIU Yin，et al.Preliminary PIV application on the study of unsteady flow in turbomachinery［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2001，22（5）：578－580.

［8］LOVE Brian T，REEDER Mark F.Particle size control for PIV seeding using dry ice ［C］//48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition.Orlando，Florida，USA：AIAA，2010：1033.

［9］杜廣生，田瑞，王國玉，等.工程流體力學［M］.北京：中國電力出版社，2004：180－181.

［10］SORANNA Francesco， CHOW Yi－Chih， UZOL Oguz，et al.The effects of inlet guide vane－wake impingement on the boundary layer and the near－wake of a rotor blade［J］.Journal of Turbomachinery，2010，132（4）：041016.